KR19990077140A - 예비 동작시 작은 전력 손실을 가지는 스위칭 모드 전력 공급기 - Google Patents

예비 동작시 작은 전력 손실을 가지는 스위칭 모드 전력 공급기 Download PDF

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Abstract

스위칭-모드 전력 공급기는 예비 동작 모드 동안, 일차측이 AC 메인 전력 공급기 전압(UI)으로부터 파생된 크게 감소된 정류 전압에 의해 공급되는 회로를 가진다. 이런 목적을 위하여, 위상 게이팅 제어 장치(22), 용량성 전압 분배기 또는 정감 제어기가 바람직하게 사용된다. 예비 동작 모드에서 전력 소비는 일차-전압 감소 비율의 제곱에 대략적으로 비례하여 감소된다.

Description

예비 동작시 작은 전력 손실을 가지는 스위칭 모드 전력 공급기
전자 장치를 제공하기 위한 스위칭 모드 전력 공급기는 표준 동작 모드외에, 에너지가 공급될 로드가 표준 동작 모드와 비교하여 매우 작은 소위 예비 동작 모드를 가진다. 상기 장치의 전력 소비는 예비 동작 모드 동안 가능한한 낮을 것이 의도된다. 그러나, 예비 동작 모드에서 종래 스위칭 모드 전력 공급기의 고유의 전력 손실은 분기된 유용한 전력과 비교하여 비교적 높다. 따라서 효율성은 낮다.
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 스위칭 모드 전력 공급기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스위칭 모드 전력 공급기의 기본 회로도.
도 2(a) 및 (b)는 두 개의 설계 변형을 가지는 예비 동작 모드에 대한 일차측 저전압을 생성하기 위한 제 2 실시예를 도시한 도.
본 발명의 목적은 예비 동작 모드동안 작은 전력 손실을 소비하는 스위칭 모드 전력 공급기를 제공하는 것이다.
이런 목적은 본 발명의 청구범위 제 1 항의 특징부에 따른 스위칭 모드 전력 공급기에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 개선 및 발전 사항은 종속항에 기술된다.
본 발명의 경우에, 스위칭 모드 전력 공급기는 표준 동작 모드동안 보다 예비 동작 모드 동안 상당히 낮은 전압을 가지는 일차측에 제공된다. 낭비되는 전력은 이런 전압 비율의 제곱에 비례하여 감소한다. 230 V의 종래 메인 전력 공급기 전압에서, 스위칭 모드 전력 공급기의 평활 캐패시터 양단에 존재하는 전환될 전압은 325 V이고, 상기 전압은 AC 전압의 피크 값과 대응한다. 평활 캐패시터 충전 전압을 12 내지 16 V로 감소시키는 것은 예비 동작 모드에서 가능하다. 이것은 약 20의 감소 비율과 대응한다; 낭비되는 전력은 400 비율만큼 감소된다. 낭비되는 전력과 관련하여, 전력 손실은 같은 방식으로 감소한다. 상기 전력 손실은 스위칭 트랜지스터의 스위칭 손실에 의해 유발된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따라, 입력측 AC 메인 전력 공급기 전압의 영 교차 지역에서만 평활 캐패시터에 전류를 전달하는 방식으로 디멘젼된 위상 게이팅제어 장치에 의해 예비 동작 모드 동안 저전압을 생성하는 것이 가능하다. 본 발명의 제 2 실시예에 따라, 저전압은 AC 메인 전력 공급기 전압으로부터의 용량성 전압 분배 및 추후 정류에 의해 달성될 수 있다. 낭비되는 전력이 예비 동작 모드 동안 작기 때문에, AC 메인 전력 공급기 전압의 용량성 분배가 가능하다. 제 3 실시예에 따라, 저전압은 종래 정감(step-down) 제어기에 의해 제공된다. 예비 동작 모드 동안, AC 메인 전력 공급기로부터 평활 캐패시터로의 전압 공급은 대응하는 스위칭 엘리먼트에 의해 스위칭 오프된다.
전력 손실은 추가적으로 감소시키기 위하여, 일차측 저전압에 따라 스위칭 모드 전력 공급기에 의해 이차측상에 형성된 DC 전압을 감소시키는 것이 바람직하다. 그러므로, 이차측상에서, 회로는 예비 동작 모드 및 표준 동작 모드 사이의 전환을 보장하는 제어 장치, 예를들어 원격 제어 수신기의 공급 전압이 예비 동작 모드 동안 유지되도록 제공된다. 실시예에서, 이것은 제어 장치의 공급 전압이 표준 동작 모드동안, 다른 기능 유니트를 제공하기 위하여 제공되어 예비 동작 모드동안보다 표준 동작 모드동안 매우 높은 전압을 방사하는 권선으로 예비 동작 모드동안 전환되는 전환 장치에 의해 실현된다. 전체적으로, 상기된 회로 방법은 구성요소상에 비교적 큰 추가의 경비없이 이전 스위칭 모드 전력 공급기 설계와 결합될 수 있다. 상기 설계는 임의의 경우에 스위칭 모드 전력 공급기를 조절하기 위하여 존재하는 집적 조절 회로와 함께 집적할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 예시적인 실시예를 사용하여 하기에 보다 상세히 설명된다. 간략화를 위하여, 본 발명에 관련된 스위칭 모드 전력 공급기의 엘리먼트가 포함된다. 구체적인 회로는 지멘스사의 집적 제어 회로(TDA 4605)와 외부 회로를 부가함으로써 실현된다.
도 1에 따른 스위칭 모드 전력 공급기는 일차측 권선(2), 제 1 이차측 권선(3) 및 제 2 이차측 권선(4)을 가지는 트랜스포머(1)를 포함한다. 일차측 권선(2)과 직렬로 접속된 것은 스위칭 트랜지스터(5)이고, 브리지 정류기(6)에 의해 정류되고 평활 캐패시터(7)에 의해 평활화되는 입력측 AC 메인 전력 공급기 전압(UI)은 일차측 권선(2)에 주기적으로 인가될 수 있다. 이차측에서, DC 전압(U1 및 U2)은 정류기 다이오드(8 및 9)에 의해 각각 정류되고 평활 캐패시터(10 및 11)에 의해 각각 평활화된후 나타난다. 표준 동작 모드에서, 스위칭 모드 전력 공급기는 전기 장치, 예를들어 텔레비젼 세트를 제공하기 위하여 사용된다. 텔레비젼 세트의 필수적인 기능 유니트는 예를들어 150 V인 전압(U1)에 의해 공급된다. 전압(U2)은 표준 동작 모드동안 제어 장치(12)를 제공하기 위하여 사용한다. 제어 장치(12)는 예를들어 명령 디코더를 포함하는 원격 제어 수신기이다. 원격 제어 수신기는 원격 제어 유니트에 의해 방사된 펄스를 수신하고, 상기 펄스를 디코드하고 대응하는 제어 신호를 생성한다. 제어 장치(12)는 특히 예비 동작 모드 및 표준 동작 모드 사이 전환을 위한 동작 신호를 수신한다. 조절 신호는 전압(U1)으로부터 유도되고 일차측 제어 장치(13)에 다시 공급된다. 상기 일차측 제어 장치는 출력 전압(U1)이 로드와 무관하게 일정하도록 스위칭 엘리먼트(5), 예를들어 스위칭 트랜지스터의 스위칭 온 및 스위칭 오프 단계를 제어한다. 이런 목적을 위하여, 전압(U1)에 대한 단자(14)는 일차측에 결합하기 위하여 전류 제한 레지스터(15), 제너 다이오드(16) 및 옵터커플러(optocoupler)(17)를 통하여 제어 장치(13)에 다시 공급된다. 전압(U1)에 대한 조절 드레스홀드는 제너 다이오드(16)에 의해 형성되고, 상기 제너 다이오드는 기술된 예에서 150 V의 제너 전압을 가진다. 전압(U1)에 의해 제공되는 기능 유니트는 예비 동작 모드시 분리된다. 이차측상에서, 원격 제어 수신기 및 디코더(12)는 에너지가 공급될 필요가 있다. 이런 측면에서, 도 1의 스위칭 모드 전력 공급기는 종래 기술과 상응한다.
본 발명에 따라, 스위치(20)는 예비 동작 모드로의 전환을 위하여 제공되고, 상기 스위치는 AC 메인 전력 공급기 전압을 브리지 정류기(6)에 공급하는 것을 막는다. 스위치(20)는 라인(21)상의 제어 장치(13)에 의한 제어 신호 출력에 의해 제어된다. 제어 장치(13)는 예비 동작 로드인 작은 로드 동작이 이루어질 때 라인(21)을 활성화시킨다. 평활 캐패시터(7)는 브리지 정류기(6)로부터 계속하여 재충전되지 않는다. 상기 캐패시터 양단의 전압은 평활 캐패시터(7)의 재충전이 저전압 공급기(22)에 의해 이루어질때까지 감소한다. 다이오드(23)는 표준 동작 모드에서 평활 캐패시터(7)가 장치(22)에 의해 방전되는 것을 막는다. 장치(22)는 도 1에 도시된 실시예에 따라 위상 게이팅 제어 장치를 포함한다. 공지된 바와같이, 위상 게이팅 제어 장치는 AC 전압의 특정 위상동안만 전류를 전달한다. 위상 게이팅 제어 장치(22)는 입력측 AC 메인 전력 공급 전압의 제로 교차 지역에 놓여있는 위상 부분동안만 출력(24)에서 이용할 수 있도록 설정되고, 상기 캐패시터(7)를 재충전하기 위한 상기 출력에서의 전압은 충전 전압이 단자(24)에서 이용할 수 있는 상기 전압 이하이도록 제공된다. AC 메인 전력 공급기 전압(UI)은 다이오드(25)를 통하여 정류된후 위상 게이팅 제어 장치(22)에 이용할 수 있다. 도 1에 도시된 반파 정류 대신, 적당하게 복잡한 브리지 정류기를 제공하는 것이 가능하다. 브리지 정류기의 경우, 위상 게이팅 제어 장치(22)의 능동 위상은 그것의 중심에서 및 반파 정류의 경우 전도 단계의 에지에서 AC 메인 전력 공급기 전압(UI)의 제로 교차점을 포함한다.
본 발명에 따른 회로에 의해 달성된 효과는 예비 동작 모드 동안, 평활 캐패시터(7)가 위상 게이팅 제어 장치에 의해 유도되는 전압에 의해서만 재충전된다는 것이다. 평활 캐패시터(7)의 전압은 전도 부분 동안 장치(22)에 의해 전달된 최대 전압까지 충전된다. 장치(22)의 전도 위상은 12 내지 16 V의 순시 전압 값에 도달될 때 입력측 AC 메인 전력 공급기 전압(UI)의 사인 발진내에서 편리하게 스위칭 오프된다. 그래서, 스위칭 모드 전력 공급기 트랜스포머(1)의 일차측 권선(2)은 예비 동작 모드동안 12 내지 16 V로만 공급된다. 일차측 권선(2) 및 스위칭 트랜지스터(5)를 통하여 흐르는 일차측 전류는 전압 감소 비율에 의해 감소한다(표준 동작 모드와 비교하여 주어진 동일한 스위칭 시간). 낭비된 전력은 이 비율의 제곱만큼 감소한다. 스위칭 트랜지스터(5)에서 스위칭 손실은 예비 동작 모드의 스위칭 모드 전력 공급기의 고유 전력 손실에 필수적이기 때문에, 스위칭 모드 전력 공급기의 고유 전력은 따라서 감소된다.
이차측 전압(U1, U2)은 일차측 전압 감소 비율에 대응하는 방식으로 감소한다. 전압(U2)은 제어 장치(12)에 충분히 에너지를 공급하기에 더 이상 충분하지 않다. 전압(U2)은 예비 동작 모드에서 전압(U1)에 의해 유지된다. 이런 목적을 위하여, 전환 스위치(26)는 전압(U2)에 대한 단자(27)가 예비 동작 모드 동안 단자(14)에 접속되도록 제공된다. 전환 스위치(26)는 바람직하게 트랜지스터(28)를 포함하고, 그것의 베이스는 레지스터(29)를 통하여 콜렉터에 접속되고 제너 다이오드(30)를 통하여 이차측 접지에 접속된다. 만약 트랜지스터(28)의 에미터에서의 전압(U1)이 제너 다이오드(30)에 의해 형성된 드레스홀드 이하로 떨어지면, 트랜지스터(28)는 턴 온된다. 전압(U2)은 전압(U1)에 의해 유지된다. 표준 동작 모드에서, 전압(U2)은 트랜지스터(28)가 스위칭 오프되는 것을 보장하기에 충분히 크다.
표준 동작 모드로부터 예비 동작 모드로의 전환에 대하여, 제어 장치(12)는 그것의 출력(31)에서 옵터커플러(17)에 공급되는 신호를 생성한다. 이런 경우, 상기 신호는 단자(14)로부터 레지스터(15) 및 제너 다이오드(16)를 통하여 얻어진 조절 전압상에 중첩된다. 실질적으로 존재하지 않는 과도하게 높은 이차측 전압은 제어 장치(13)에 나타난다. 제어 장치(13)는 만약 이런 상태가 비교적 오랜 시간 기간동안 유지되면, 예비 동작 모드로의 전환이 이루어지는 것을 결정하는 타이밍 엘리먼트, 바람직하게 적분기를 포함한다. 제어 장치(13)는 스위치(20)를 개방하고 브리지 정류기(6)를 분리하기 위하여 단자(21)에서 신호를 활성화한다. 만약 트랜지스터(28)의 에미터 전압이 다이오드(30)의 드레스홀드 전압 이하로 떨어지면, 전압(U2)은 장치(12)에서 전압(U1)에 신호를 보내고 제어 장치(12)의 출력(31)에서 대응하는 제어 신호를 생성함으로써 조절될 수 있다. 표준 동작 모드로의 전환에 대하여, 단자(31)에서의 신호는 스위칭 오프되고, 그 결과 출력 전압은 제너 다이오드(16)를 통하여 다시 조절된다. 제어 회로(13)는 저전압 예비 동작 모드에서 상부 전력을 제한하기 위하여 처음에 작동한다. 제어 장치(13)에서 형성된 특정 제한 시간이 초과된후, 전압(U1)이 목표된 값 이하에 놓이는 것을 제어 장치(13)가 확인하면, 단자(21)에서의 신호는 스위칭 오프되고 스위치(20)는 다시 폐쇄되고, 그 결과 스위칭 모드 전력 공급기는 표준 동작 모드로 전체적으로 변화한다.
상기된 기능을 수행하는 임의의 제어 장치는 위상 게이팅 제어 장치(22)로서 사용될 수 있다. 위상 게이팅 제어 장치는 MOS 트랜지스터(40)를 포함하고, 그것의 드레인-소스 경로는 다이오드(25, 23) 사이에 접속된다. 트랜지스터(40)의 게이트 단자는 트랜지스터(41)를 통하여 접지에 접속된다. 트랜지스터(41)는 그것의 베이스에 있는 전압 구동기(43)에 의해 구동되고, 그것에 의해 위상 게이팅 제어 장치의 입력측상에 존재하는 전압에 신호가 전달된다. 만약 전압 구동기(43)를 통하여 트랜지스터(41)의 베이스에 존재하는 전압이 트랜지스터(41)를 충분히 턴 온하지 못하면, 트랜지스터(40)는 풀-업(pull-up) 레지스터(42)를 통하여 턴온되고 다이오드(25)를 통하여 정류된 AC 메인 전력 공급기 전압을 단자(24)로 통과시킨다. 용량적 전압 분배에 의해 예비 동작 모드 동안 일차측 저전압 생성은 도 2에 도시된다. 도 2(a)에 따른 제 1 설계에서, 일차측 AC 전압(UI)의 단자는 용량성 전압 구동기(50, 51)를 통하여 일차측 접지에 접속된다. 전압 분할기(50, 51)의 중심 탭은 정류기 다이오드(52, 53)를 통하여 평활 캐패시터(54)에 공급되고, 평활 캐패시터의 출력 전압은 제너 다이오드(55)에 의해 제한된다. 제너 다이오드(55)상의 탭(24)은 도 1의 단자(24)에 대응하고 다이오드(23)의 삽입과 함께, 평활 캐패시터(7)에 접속하기 위하여 사용한다. 엘리먼트(50 내지 53)와 유사하게 구성된 회로는 캐패시터(54)에 커플링하기 위하여 AC 전압의 다른 단자에 제공될 수 있다.
제 2 실시예의 실현을 위한 다른 대안에 따라, 도 2(b)에서, 브리지 정류기(60)가 제공되고, 그것의 AC 전압 단자는 각각의 캐패시터(61, 62)를 통하여 일차측 AC 전압(UI)에 대한 단자에 접속된다. 단자(24)가 분기되는 평활 캐패시터(63) 및 전압 제한 제너 다이오드(64)는 브리지 정류기(60)의 출력에 다시 배열된다. 캐패시터(50, 51 및 61, 62)는 간섭 억제 및 전기 공급 시스템상의 스위칭 모드 전력 공급기의 스위칭 주파수의 섭동을 필터링하는 소위 X 캐패시터로서 실현된다. 정감 제어기는 이런 전압을 유도 엘리먼트에 주기적으로 인가하고 추후 평활화함으로써 입력측 AC 메인 전력 공급기 전압(UI)으로부터 감소된 전압을 생성한다. 정감 제어기의 실현을 위한 기본 회로도는 참고 문헌 티즈 쉬엥크(Tietze, Schenk)에 예를들어 기술된다: "Halbleiterschaltungstechnik", [반도체 회로], 1991년 제 9판, 페이지 563, 도 18, 34 및 페이지 564, 도 18, 37.

Claims (8)

  1. 입력측에 정류된 전압이 주기적으로 공급되고 출력측에 로드를 제공하기 위한 트랜스포머(1)를 포함하는 스위칭-모드 전력 공급기에 있어서,
    제 1 동작 상태에서 상기 트랜스포머(1)에 의해 공급될 높은 로드에 대한 제 1 값 및 제 2 동작 상태에서 상기 트랜스포머(1)에 의해 공급될 낮은 로드에 대한 제 2, 낮은 값을 가지도록 정류된 전압이 AC 전압(UI)으로부터 생성되게 하는 수단(20...25; 50...55; 61...64)을 특징으로 하는 스위칭-모드 전력 공급기.
  2. 제 1 항에 있어서, 정류된 전압을 제공하는 평활 캐패시터가 제 1 동작 상태동안 AC 전압(UI)의 전압 제로 교차점을 포함하는 제 1 위상 부분동안만 충전되고 제 2 위상 부분동안 충전되지 않게 하는 수단(22...25, 40...43)을 특징으로 하는 스위칭-모드 전력 공급기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1 정류기(6)는 입력측상에서 스위칭 수단(20)을 통하여 AC 전압(UI)에 대한 단자에 접속되고 출력측상에서 평활 캐패시터(7)에 접속되도록 제공되고, 상기 평활 캐패시터(7)는 제 2 정류기(25) 및 위상 게이팅 제어 장치(22, 40...43)를 포함하는 제 2 경로를 통하여 AC 전압(UI)에 대한 단자에 접속되고, 상기 스위칭 수단(20)은 동작 상태를 가리키는 신호(21)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 스위칭-모드 전력 공급기.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 1 정류기(6)는 입력측상에서 스위칭 수단(20)을 통하여 AC 전압(UI)에 대한 단자에 접속되도록 제공되고, 제 2 정류기(52, 53; 60)는 입력측상에서 용량 전압 분배를 위한 수단(50, 51; 61, 62)을 통하여 AC 전압(UI)에 대한 단자에 접속되고, 상기 정류기는 출력측상에서 평활 캐패시터(7)에 접속되고, 상기 스위칭 수단(20)은 동작 상태를 가리키는 신호(21)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 스위칭-모드 전력 공급기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 정류기는 브리지 정류기(60)이고, 상기 브리지 정류기의 AC 전압 단자는 각각의 캐패시터(61, 62)를 통하여 AC 전압(UI)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 스위칭-모드 전력 공급기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스포머(1)는 로드가 접속되는 제 1 이차 권선(3), 및 제어 장치(12)가 제 1 동작 상태 동안 제공되는 제 2 이차 권선(4)을 가지며, 상기 동작 상태 사이의 전환은 제공될 로드의 기능때문에 제어 장치(12)에 의해 제어되고, 전환 장치(26)가 제공되어 제어 장치(12)의 전압 공급을 제 2 동작 상태 동안 제 1 이차 권선(3)으로 전환되는 것을 특징으로 하는 스위칭-모드 전력 공급기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어 장치(12)는 원격 제어기용 수신기 및 명령 디코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭-모드 전력 공급기.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 제 1 동작 상태에서 조절될 출력 전압에 결합되는 조절 신호는 이차 권선(3, 4)중 하나로부터 분기되고, 신호는 제 2 동작 상태로의 전환을 위하여 제어 장치(12)에 의해 생성되고, 부가적으로 상기 조절 신호상에 중첩되는 것을 특징으로 하는 스위칭-모드 전력 공급기.
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